专利名称：射频加热叉的制作方法
射频加热叉
本发明涉及射频(“RF”)加热。具体而言，本发明涉及用于加热传导性变化的物质的有利的并且有效的设备和方法。
RF加热可以用于各种应用中。例如，可以使用RF能量来加热油井岩芯样本。然而，这些岩芯样本，在传导性方面可能会显著地不同，因此，不同地对各种类型的加热作出响应。对于具有低传导性的样本，电介质加热是有效的并且是优选的。带有更高的传导性的样本最好通过感应加热来进行加热。医用透热疗法，或使用热量来摧毁异常或不希望有的细胞是可以使用RF加热的另一种应用。
RF加热是适于许多材料的通用的过程，因为可以使用不同的RF能量。可以有由 RF加热施加器引入的电场E、磁场H，和/或电流I。诸如直导线偶极之类的线性施加器通过电流I的散度而在E场附近凸显出强辐射。诸如金属环之类的圆形施加器通过电流I的旋度凸显出强辐射H场。混合型施加器形式可以包括螺旋和螺线以产生强的E和H场。不绝缘的RF加热施加器可以充当电极以在介质中引入电流I。
平行线性导体在给予P. S. Carter的标题为“天线”的美国专利2，283，914中形成天线。现在为人们所熟知的折叠偶极天线，该天线使用细线路中的相同方向的电流和电压相加作用来使驱动阻抗达到较高的值。然而，折叠偶极天线不包括下列各方面反平行的电流流动(相反的电流方向或感应)、在一端以开口端子操作、到单独的馈电结构的感应耦合， 或电容器加载。折叠偶极天线对于以大约1/2的波长以及大于1/2波长的大小的操作是有用的。
给予A. G. Kandoian的标题为“天线”的美国专利2，507, 528描述了在传导板中的槽的相反边上流动的反平行的(相等但是相反的方向)电流。从垂直朝向的槽实现水平极化。
RF加热可以通过近场或远场来操作。近场是在RF加热施加器附近循环的强的反应性能量。远场可以包括在离施加器有一段距离处的无线电波。近场和远场两者对于RF 加热都是有用的，许多折衷也是可以的。例如，当施加器尺寸小时，近场可能对低频更有用， 并且对于传导材料更有用。对于在一定的距离内的加热以及对于加热低传导性材料，远场是优选的。
当前射频加热叉对于加热各种目标是有用的，因为由射频加热叉所产生的热包括感应加热和电介质加热。可以简单地通过相对于射频加热叉来定位目标来选择特定类型的加热。
当前射频加热叉包括一种用于使用射频加热叉对目标进行加热的方法，所述射频加热叉包括两个基本上平行的叉齿，所述基本上平行的叉齿在所述射频加热叉的环端电连接，并且所述基本上平行的叉齿在所述射频加热叉的开口端分开，还包括馈电耦合器连接， 馈电耦合器连接跨所述射频加热叉的所述基本上平行的叉齿连接电源，所述方法包括相对于射频加热叉定位目标；以及，通过使用馈电耦合器连接在射频加热叉上施加电源来对目标进行加热。
定位所述目标还可以进一步包括相对地将目标定位在射频加热叉的基本上平行的叉齿之间。定位所述目标还可以进一步包括相对地将目标定位在射频加热叉的基本上平行的叉齿上或其之间，并且在射频加热叉的环端附近，其中对目标的加热主要是由于感应加热。作为替代地，定位所述目标还可包括在所述射频加热叉的所述基本上平行的叉齿上或其之间相对定位所述目标，并且在射频加热叉的开口端附近，其中，对目标的加热主要是由于电介质加热。
馈电耦合器连接可以在射频加热叉的环端附近感应地连接到射频加热叉的基本上平行的叉齿。作为替代地，馈电耦合器连接可以在射频加热叉的环端附近电连接到射频加热叉的基本上平行的叉齿。感应馈电耦合器连接可以包括平衡一不平衡变换器(Baiun)。 此外，还可以使用跨射频加热叉的基本上平行的叉齿放置的电容器，来调节射频加热叉的频率。
本射频加热叉包括用于对目标进行射频加热的设备，该设备包括射频加热叉， 该射频加热叉具有两个基本上平行的叉齿，该基本上平行的叉齿在射频加热叉的环端电连接，并且该基本上平行的叉齿在射频加热叉的开口端分开，还包括馈电耦合器连接，该馈电耦合器连接跨射频加热叉的基本上平行的叉齿连接电源。跨射频加热叉的基本上平行的叉齿施加电源导致在射频加热叉的环端附近进行感应加热，而在射频加热叉的开口端附近进行电介质加热。
馈电耦合器连接可以在射频加热叉的环端附近感应地连接到射频加热叉的基本上平行的叉齿。感应馈电耦合器连接可以包括平衡一不平衡变换器。作为替代地，馈电耦合器连接可以在射频加热叉的环端附近电连接到射频加热叉的基本上平行的叉齿。还可以在射频加热叉的基本上平行的叉齿之间连接电容器。
本发明的其他方面对那些精通本技术的普通人员是显而易见的。
图I描绘了使用无线连接的本射频加热叉。
图2描绘了使用硬连线连接的本射频加热叉。
图3描绘了带有目标的射频加热叉的加热模式。
现在将更全面地描述本发明的主题，示出了本发明的一个或多个实施例。然而，本发明可以许多不同的形式来实施，不应该被理解为仅限于此处所阐述的实施例。相反，这些实施例是具有通过权利要求书的语言所指出的完整范围的本发明的示例。
在图I中，射频加热叉50包括叉齿58和59，并包括无线感应馈电耦合器连接。同轴馈电54在一端连接到AC电源52，并在另一端连接到供电环56。加热叉50的供电环56 和环端64彼此靠近并重叠，这产生了将能量从供电环56传输到加热叉50的变压器效应。 可以对于五十欧姆驱动电阻或根据需要，来调整感应馈电耦合器。加热叉50的供电环56 和环端64之间的重叠量和距离可以变化，这又会改变电阻和热。叉齿58和59通过环端64 电连接。可以在加热叉50外面或上方设置绝缘，这对于内部医用透热疗应用是所希望的。
加热叉50可以可任选地配备有用于调节目的的电容器62。加热叉50自然地以波长的大致四分之一的频率操作。可选的电容器62可以将此频率降低到，例如，波长的二十分之一或三十分之一。可以在加热叉50上方使用诸如金属盒之类的RF屏蔽(未示出)来控制辐射。供电环56有利地充当隔离变压器或平衡-不平衡变换器(Balun)，该隔离变压器或平衡一不平衡变换器充当用于同轴馈电54的表面上的杂散电流抑制的共模扼流圈。虽然未示出，但是加热叉50可以浸入或以其他方式被定位在要RF加热的目标介质内部。
加热叉50的的长度L优选地是操作频率的波长的四分之一，虽然可以根据需要使 L缩短，增加或增大电容器62的电容。因而通过加热叉轻松地产生高电压和高电流，因为通过波长的四分之一，例如90电角度，双曲正切函数渐近地趋近于零和无穷。
现在转向图2，射频加热叉100包括叉齿108和109，并且包括硬连线馈电耦合器连接。同轴馈电104在一端连接到AC电源((未示出)，并在另一端在加热叉100的环端110 附近以馈电耦合器连接106连接到加热叉100。叉齿108和109通过环端110电连接。当在加热叉100上施加电源时，在加热叉100的环端110附近形成强磁场114。相反，在加热叉100的开口端112附近形成强电场116。当向图I中的加热叉50施加电源时，类似地形成这些场(未示出)。
两个不同的场提供两种不同的加热质量。在加热叉100的环端110附近形成的强磁场114提供感应加热，这对于加热传导物质是极好的。另一方面，在加热叉100的开口端 112附近形成的强电场116对于加热传导差一些的，或者甚至非传导物质是极好的。通过相对于加热叉100定位目标118，取决于目标118的传导性，可以使用加热的最有利的形式。 例如，可以使具有高传导性的目标118位置更靠近加热叉100的环端110。另一方面，甚至可以在加热叉100的开口端的附近加热包括蒸馏水的目标，因为该区域具有强电场。如果目标100被定位在加热叉100的叉齿108和109之间，则可以实现更均匀的加热。
当在适当的频率范围内操作时，当前射频加热叉具有低电压驻波比(“VSWR”)。例如，在一个实施例中，当以大致27MHz的频率操作射频加热叉时，VSWR趋近于1:1。
加热叉叉齿58、59、108和109的截面不必是圆柱形，对于特定的应用，其他形状也是可以的。例如，如果用于内部医用透热疗法，叉齿可以具有C形截面，以促进用于相对于靶细胞定位加热叉的组织穿透。
加热叉50和100是传导结构，通常由金属构成，具有差模电流分布，在每一叉齿上带有相同电流幅值，在每一叉齿上电流在相反的方向流动。例如，当AC电源波形是正弦曲线时，沿着图I的加热叉50的电流分布也是正弦曲线，以便在环端68产生最大幅值，而在开口端68产生最小值。跨叉齿58的电压电势在环端64为最小值，在开口端66为最大值。 叉齿之间的电压E与沿着叉齿线路的电流I的比是由下列公式给出的阻抗Z :
Zl = Y L
其中
Zl=沿着叉齿的长度的阻抗
Y =沿着叉的复传播常数gamma (包括衰减常数α和相位传播常数β )
L=加热叉的从环端64到开口端66的总长
继续参考图I的工作原理，供电环56以旋度传输电流I，产生磁场Β(未不出)。加热叉50的环端64重叠供电环56的磁场B，导致互感电流I流入加热叉50。如此，供电环 56和环端64在区域60基本上形成变压器的“绕组”。使供电环56靠近环端64提供对AC 电源52的较大的负载电阻,而移动供电环56远离环端64为AC电源52提供较小的负载电阻。随着使供电环56靠近环端64，加热叉50的共振的频率略微变小。
现在考虑由加热叉50和100所生成的电场。虽然在形式上是有骨架的，但是，加热叉结构涉及线性槽式天线，并且加热叉50和100还生成三个反应性近场、三个中场，以及两个辐射远场(Ε和H)。当前射频加热叉主要使用近场加热。在没有加热负载的情况下，可以按如下方式来描述该近场
Hz = -jE0/2 π η [ (G-jkrVr1) + (e_Jkr2/r2)]
Hp = -jE0/2 π η [ (z- λ /4) / P ) WkrVr1) + (z- λ /4) / P ) (e_Jkr2/r2)]
权利要求
1.一种用于使用射频加热叉对目标进行加热的方法，所述射频加热叉包括在所述射频加热叉的环端电连接的两个基本上平行的叉齿，所述基本上平行的叉齿在所述射频加热叉的开口端分开，以及包括跨所述射频加热叉的所述基本上平行的叉齿连接电源的馈电耦合器连接，所述方法包括 相对于射频加热叉定位目标；以及 通过使用所述馈电耦合器连接跨所述射频加热叉施加电源，对所述目标进行加热。
2.如权利要求I所述的方法，其中，定位所述目标还包括在所述射频加热叉的所述基本上平行的叉齿之间定位所述目标。
3.如权利要求I所述的方法，其中，定位所述目标还包括在所述射频加热叉的所述基本上平行的叉齿上或之间定位所述目标，并且还包括使用感应加热对所述射频加热叉的所述环端之间的所述目标进行加热，以及使用电介质加热对所述射频加热叉的所述开口端处的所述目标进行加热。
4.如权利要求I所述的方法，其中，所述馈电耦合器连接在所述射频加热叉的所述环端附近感应地连接到所述射频加热叉的所述基本上平行的叉齿。
5.如权利要求I所述的方法，还包括使用跨所述射频加热叉的所述基本上平行的叉齿放置的电容器，来调节所述射频加热叉的频率。
6.一种用于对目标进行射频加热的设备，所述设备包括 射频加热叉，所述射频加热叉具有在所述射频加热叉的环端电连接的两个基本上平行的叉齿，所述基本上平行的叉齿在所述射频加热叉的开口端分开；以及 馈电耦合器连接，所述馈电耦合器连接跨所述射频加热叉的所述基本上平行的叉齿连接电源。
7.如权利要求6所述的设备，其中，所述馈电耦合器连接在所述射频加热叉的所述环端附近感应地连接到所述射频加热叉的所述基本上平行的叉齿。
8.如权利要求7所述的设备，其中，所述感应馈电耦合器连接包括平衡一不平衡变换器。
9.如权利要求6所述的设备，还包括在所述射频加热叉的所述基本上平行的叉齿之间连接的电容器。
全文摘要
用于加热目标的设备包括具有两个基本上平行的叉齿的射频加热叉，基本上平行的叉齿在射频加热叉的环端电连接，并且该基本上平行的叉齿在射频加热叉的开口端分开，还包括馈电耦合器连接，该馈电耦合器连接跨射频加热叉的基本上平行的叉齿连接电源。跨射频加热叉的基本上平行的叉齿施加电源导致在射频加热叉的环端附近进行感应加热，而在射频调节叉的开口端附近进行电介质加热。可以相对于加热叉定位目标，以选择最有效的加热方法。加热叉可以在低频时提供近场以便确保深的热穿透。
文档编号H05B6/54GK102986294SQ201180034259
公开日2013年3月20日 申请日期2011年6月24日 优先权日2010年7月13日
发明者F·E·帕斯切 申请人:哈里公司